论文部分内容阅读
论文在充分调研国内外微机械陀螺研究现状的基础上，针对微机械陀螺发展中存在的问题，确定了体硅水平轴陀螺的结构设计研究这一主题，并设计、加工和测试了三种采用双解耦结构的硅基水平轴陀螺。
本文首先介绍了微机械陀螺的工作原理，分析了陀螺的解耦模型，总结了振动式水平轴陀螺的基本机械结构，分析了每种方案的可行性。对北京大学开发的用于离面运动检测的垂直梳齿电容进行了分析和仿真。
针对现有水平轴陀螺结构设计中存在的问题，论文将双解耦模型应用在水平轴陀螺，提出了三种采用垂直梳齿电容检测的水平轴微机械陀螺设计方案，分别是线振动式、不对称扭转式和全对称轮式陀螺，并分析了它们的工作原理。首次给出了针对双解耦模型的运动学方程，能够更精确描述陀螺振动，更具体的推导影响器件性能结构参数，为结构设计提供了理论依据。
以扭转陀螺结构为例，利用有限元工具ANSYS，模拟分析工艺误差、机械耦合和线加速度等对器件的影响。工艺误差分析显示，ICP工艺中的过刻蚀、侧壁垂直度和不对称等问题对扭转式陀螺性能有较大影响；首次提出一种利用谐波分析模拟陀螺机械耦合的方法，仿真结果显示该结构驱动到检测模态的耦合为0.1％，检测模态到驱动模态的耦合是5.7％；进一步仿真发现，要降低机械耦合，需要降低悬臂梁刚度，特别是连接两个质量块的悬臂梁的刚度；增大外框宽度也可以降低耦合；线加速度分析结果可知z方向线加速度会引起外框较大位移，且外框出现弯曲，需要两个相同器件反向驱动才能抵消这个影响，x方向线加速度对这个结构影响很小，可忽略，y方向加速度对外框影响很小，但对驱动振幅有较大影响，也会影响陀螺输出。
在原有单端不等高梳齿加工工艺基础上，论文提出了光刻胶、铝、氧化硅复合掩膜自对准工艺方案，并实现了带有双端不等高梳齿结构的MEMS器件工艺制造，完成了论文提出的水平轴陀螺的加工。
论文完成了三种器件的基本性能测试，并对扭转式陀螺进行了加速度灵敏度测试和偏轴灵敏度测试。其中扭转式陀螺的灵敏度为17 mv/°/s，噪声等效角速度为0.02°/s/Hz1/2分析了三种器件结构设计中存在的问题，并提出了改进方案。。